JPH01315134A - 処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、処理方法に関する。

（従来の技術） 一般に、半導体集積回路に金属薄膜を堆積させて配線等
を行なう技術として、長年の間、蒸着やスパッタリング
等の物理的気成長方法（ＰＶＤ）が使用されてきた。

しかし、超ＬＳＩ等集積回路のように高集積化・高速化
・高密度化に伴い、ゲート電極の形成及びコンタクト・
ホールやスルー・ホール等の形成の為に、多結晶Ｓｉに
比べ抵抗が１桁以上低いＷ（タングステン）等の高融点
金属の金属薄膜を選択的に堆積させる技術が重要となっ
てきている。このような目的のため、最近、堆積の選択
に優れたＣＶＤ　（ｃｈｅａ＋１ｃａＬ　Ｖａｐｏｒ　
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が多用されている。

とのＣｖＤにより、被処理基板の例えばアルミ上にＷ薄
膜を選択的に堆積させる場合１選択性を向上させるため
、被処理基板を急加熱し、その後所望の温度帯に温度制
御して化学的気相成長法によりＷ薄膜を被処理面に成膜
していた。この時、上記温度制御方法としては、被処理
基板に接触型の温度検知機構である熱電対を接触させて
、被処理基板の温度を検知することにより行なうか、又
は、被処理基板から放射される赤外線の放射エネルギー
により非接触型の温度検知機構であるパイロメータで温
度を検知することにより行なっていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の温度制御のための温度
検知に熱電対を用いると、熱電対は温度が安定すると信
頼性は高いが、熱電対自体の温度上昇に時間がかかり、
急上昇する温度に対して信頼性が低い。従って被処理基
板を急加熱した際には、急上昇する温度に熱電対が追従
できず検知温度と実際の温度とにかなりの誤差が生じ、
急上昇後に一定に維持すべき設定値より大幅にオーバー
シュートしてしまうという問題点があった。

又、このようにオーバーシュートしてしまうと、被処理
基板の被処理面の材質によっては、溶は出してしまう事
があり、次に行なう化学的気相成長処理が行なえないと
いう問題点もあった。

また、　シリコン被処理基板の散乱区域上にＣＶＤを施
す場合には１反応が被処理基板内部まで進行する。いわ
ゆる侵入、インクロウチメント（ｅｎｃｒ。

ａｃｈｍｅｎｔ）と呼ばれる現象が生じてしまう。

一方、温度制御にパイロメータを用いると、パイロメー
タは高速応答性をもつので急加熱には対応できるが、化
学的気相成長法を実行する際、処理前に被処理面から放
射する赤外線の放射率と。

堆積させる膜材質の放射率とが異なる場合、処理が進む
につれ、被処理面の放射率が変化し、この放射率の変化
に追従できず、誤った温度検知を行なってしまうという
問題点があった。

この発明は上記点に対処してなされたもので、被処理基
板を急加熱したとしても温度制御可能であり、その後被
処理面の放射率の変化のともなう処理をしたとしても、
そのことに対応して温度制御可能であり、常に、正確な
温度に制御しながら処理が行なえるという効果を得る処
理方法を提供するものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明は、被処理基板を温度制御しながら急加熱し所
望の温度帯で被処理基板被処理面の放射率の変化をとも
なう処理をする処理方法において。

上記温度制御期間のうち予め定められた初期期間被処理
基板の放射率により非接触型の温度検知機構で温度を検
知し、その後接触型の温度検知機構で温度検知して温度
制御を行なうことを特徴とする。

（作用効果） 温度制御期間のうち予め定められた初期期間被処理基板
の放射率により非接触型の温度検知機構で温度を検知し
、その後接触型の温度検知機構で温度検知して温度制御
を行なうことにより、被処理基板を急加熱したとしても
、温度制御可能であり、その後被処理面の放射率の変化
のともなう処理をしたとしても、そのことに対応して温
度制御可能であり、常に、正確な温度に制御しながら処
理が行なえるという効果がある。

（実　施　例） 以下、本発明方法を半導体製造工程の化学的気相成長に
よる薄膜形成工程で、枚葉処理による高融点金属の薄膜
形成に適用した実施例につき図面を参照して説明する。

第１図に示すように、冷却水等で壁面に冷却可能にジャ
ケットが設けられた気密な円筒状ＡＱ　（アルミニウム
）製反応チャンバ■上方に、被処理基板例えば半導体ウ
ェハ■を、被処理面が下向きになる如く設置可能な設置
台（３）が設けられている。

そして、この設置台■近傍には、例えば半導体ウェハ（
２）の外縁を支持して設置台（３）に半導体ウェハ■を
固定するための、例えばエアシリンダ等の昇降機構（イ
）を備えた支持体■が設けられている。そして、この支
持体０の所定の位置に溝が設けられていて、この溝に接
触型の温度検知機構例えば熱電対０が設けられている。

即ち、上記支持体■で半導体ウェハ■を設置台■に支持
する時、支持体■に設けられた熱電対（０が半導体ウェ
ハ（２）と接触するように構成されている。上記熱電対
（０は、常温カラ６００℃まで対応可能なアルメル・ク
ロメルのにタイプのものが望ましい。そして、設置台■
の上方には石英ガラス製の窓■を通して設置台■を例え
ば３００℃〜１０００℃に加熱可能なＩＲクランプｉｎ
ｆｒａｒｅｄ　ｒａｙ　ｌａｍｐ）（ｌが設けられてい
る。そして、設置台■近辺の反応チャンバ■上壁には、
例えば２ケ所の排気口０が設けられ、この排気口■）に
は。

反応チャンバ■内を所望の圧力に減圧及び反応ガス等を
排出可能な真空ポンプ（１０）例えばターボ分子ポンプ
等が接続されている。

それから、反応チャンバ■下方に酸化系のガスである膜
成長用ガス例えばＷＦ、　（六弗化タングステン）等を
導入する、多数の微小な孔をもつ円環状の酸化系ガス導
入口（１１）が設けられ、同様に、還元系のガスである
１１□（水素）やキャリアガスであるＡｒ（アルゴン）
等を導入する、多数の微小な孔をもつ円環状の還元系又
は、キャリアガス導入口（１２）が設けられている。こ
れらガス導入口（１１，１２）は流量制御機構（１３）
例えばマス・フロー・コントローラ等を介してガス供給
源に接続されている。また、設置台■とガス導入口（１
１，１２）の間には、ガスの流れを制御するための例え
ばステッピングモータ等の直線移動（図示せず）を備え
た円板状流れ制御板（１４）が設けられている。

そして、円板状流れ制御板（１４）の中心には、設置台
■に設置された半導体ウェハ■の中心に対応する如く軸
方向に直径例えば５ｃｍの円筒形の空間（１５）が開口
している。また、この空間（１５）の底部は、反応チャ
ンバ（１）外上方に設けられた非接触型の温度検知機構
例えば赤外線の放射エネルギーがら温度検知可能なパイ
ロメータ（１６）と、レンズ（１７）を間に介して接続
している。即ち、パイロメータ（１６）は、レンズ（１
７）をおよび空間（１５）を介して、設置台■に設置さ
れた半導体ウェハ■と対面しており、この半導体ウェハ
（２１）のほぼ中心の直径例えば２〜３ｃｍの部分の赤
外線の放射エネルギーを検知することにより、温度検知
可能とされている。

そして１反応チャンバ■の１側面に例えば昇降により開
閉可能なゲートバルブ（１８）を介して、気密な搬送予
備室（２２）が設けられている。ゲートバルブ（１８）
を開閉することにより、半導体ウェハ■を反応チャンバ
■内に搬入及び搬出することが出来る。搬送予備室（２
２）には伸縮回転自在にウェハ■を保持搬送するハンド
アーム（１９）と、ウェハ■を例えば２５枚程度収納し
たカセット（２ｏ）を載置して昇降可能な載置台（２１
）が内蔵されている。

また、上記した熱電対およびパイロメータの各温度検知
機構により検知した結果による温度制御や、膜形成装置
の動作制御および設定制御は制御部（２３）により制御
される。

次に、上述した膜形成装置による半導体ウェハ■への選
択的な膜形成方法を説明する。

予備室（２２）の図示しない開閉口よりロボットハンド
又は人手により、例えば被処理半導体ウェハ■が２５枚
程度所定の間隔を設けて積載収納されたカセット（２０
）を、昇降可能な載置台（２１）上に載置する。この時
、ゲートバルブ（１８）は閉じた状態で、反応チャンバ
■内は既に、真空ポンプ（１ｏ）の働きで所望の低圧状
態となる様に減圧されている。このようにして、カセッ
ト（２０）をセットした後、搬送予備室（２２）の図示
しない開閉口は気密となる如く閉じられ、図示しない真
空ポンプで反応チャンバ■と同程度に減圧する。

次に、ゲートバルブ（１８）が開かれ、所望の低圧状態
を保ち、載置台（２１）の高さを調整することにより、
半導体ウェハ■を伸縮自在なハンドアーム（１９）で、
カセット（２ｏ）から所望の１枚を取り出し、反応チャ
ンバω内に搬入する。この時、支持体（ハ）が昇降機構
（イ）により下降していて、ウェハ■を被処理面を下向
きに支持体■上に載置する。そして、昇降機構（イ）で
支持体■を上昇し、ウェハ■を設置台■と支持体■で挟
持し熱電対０と半導体ウェハ■とが接触するように設置
する。この時読に、ＩＲランプ■で載置台■は加熱され
ている。この場合、支持体■のウェハ■当接面は熱伝導
率の低いセラミック等で構成すると、ウェハ■の熱分布
が一様となり、処理ムラが防止できる。また、半導体ウ
ェハ■の設置台（３）への設置が終了すると、ハンドア
ーム（１９）を搬送予備室（２２）内に収納し、ゲート
バルブ（１８）を閉じる。

次に、半導体ウェハ■の被処理面例えばウェハ■上面積
の数拾パーセントをしめるアルミ上へＷ膜を堆積させる
処理を開始する。又、処理中は、反応チャンバ■内を所
望の低圧状態例えば１００〜２００ｍｍＴｏｒｒに保つ
如く真空ポンプ（１ｏ）で常に排気制御しておく。

まず、半導体ウェハ■の被処理面の温度をＩＲクランプ
へ）で所望の温度帯例えば３７０℃程度となる如く急加
熱する。この時、ウェハ■から放射される赤外線の放射
エネルギーをパイロメータ（１６）を用いて、ウェハ■
の温度を非接触で検知し、制御部（２３）において、Ｉ
Ｒランプ■への出力を制御する。

そして、この急加熱後、ウェハ■が所望の温度である例
えば３７０℃に安定し、　ウェハ■と接触して設けられ
た熱電対０が検知する温度が安定したところで、ウェハ
■温度検知を、パイロメータ（１６）から熱電対０に手
動また自動的に切換え、熱電対０で検知した温度により
制御部（２３）で温度調整を行なう。

制御部（２３）におけるウェハ■の温度制御は、例えば
第３図に示すようなブロック図に従って行なわれる。

ＩＲクランプハ）によりウェハ■の加熱が開始されると
、その温度はパイロメータ（１３）により検出される。

加熱は、予め設定された昇温スピードに従って行なわれ
る。パイロメータ（１３）による検出値は、コンパレー
ターにおいて基準値、　この場合３７０℃に対応する値
と比較され、その出力信号はＩＲクランプ８）電流コン
トローラーを介してＩＲクランプ８）に入力される。こ
のようにして、ウェハ（２）の温度が３７０℃に維持さ
れ、　その後、温度検出は、熱電対に切替えられ、同様
にして温度制御が行なわれる。

その後、ガス導入口（１１，１２）から、流量制御機構
（１３）で反応ガスを構成する膜成長用ガス例えばＷＦ
い還元用ガス例えばＨ２、キャリアガス例えばＡｒを所
定量流出し、化学的な気相成長を行なう。

この流量および被処理基板であるウェハ■の温度制御を
表−１に示す如く制御すると、被処理面例えばアルミ上
に、Ｗ膜を選択的に堆積することができる。

（以下余白） 表−１ 上記表に示すステップ１〜８においては、まずステップ
１においてＡｒガスの導入を開始し、ステップ２におい
て加熱を開始する。

その後、ステップ３〜６において基板温度が一定となっ
たところで、ステップ７においてＩＩＩＦＧガスおよび
Ｈ２ガスを導入する。ｖＦ６ガスおよびＨ２ガスの導入
により、下記反応式に従って反応が進行し、半導体ウェ
ハ■表面で化学的気相成長が行なわれる。

ＷＦ、　＋　３）＋２→Ｗ　＋　６ＨＦ↑上式で表わす
ＷＦ、とＨ２の反応による処理を実行している。ここで
、上記各ステップによるウェハ■の温度検知手段のパイ
ロメータ（１６）から熱電対０への切換えは、ステップ
７、の化学的気相成長処理を行なう前に切換えれば良い
が予めステップ６゜の段階で行なっても良く、その前に
熱電対０の検知する温度が゛安定した時点に行なっても
良い。

ここで、上記表に示した処理を熱電対０のみの温度制御
で行なった場合のウェハ■の温度変化を第２図に示す。

この第２図において、横軸を時間、縦軸を温度とし、熱
電対０で検知したウェハ■温度を実線・パイロメータ（
１６）で検知したウェハ■温度を点線として示す。この
グラフからもわかるようにウェハ■をＩＲクランプ８）
で急加熱した時、応答速度の遅い熱電対０で３７０℃付
近を示しても、応答速度の速いパイロメータ（１６）で
は、６００℃以上となっており、設定温度よりもかなり
オーバーシュートしていることがわかる。又、ステップ
７゜による化学的気相成処理時には、温度が安定したら
信頼性の高い熱電対０では、３７０℃付近を示している
にもかかわらず、パイロメータ（１６）では、被処理面
と堆積物質の放射率が異なるため、放射率の変化に追従
できずに変動していることがわかる。

上記のことから、熱電対０で対応できない急加熱をする
時は、パイロメータ（１６）で温度検知した結果から温
度制御を実行し、パイロメータ（１６）で対応できない
放射率の変化をともなう処理をする時は、熱電対０で温
度検知した結果を温度制御することが良いことがわかる
。

尚、上記のような処理を実行する前には、ウェハ■表面
に形成された自然酸化膜等の不用な膜を。

このチャンバω内でプラズマエツチングして除去してい
る。

又、設置台■とガス導入口（１１，１２）間に設けた円
板状流れ制御板（１４）の位置を移動機構で調整するこ
とで、設置された半導体ウェハ（２）の被処理面により
均一に反応ガスが接する如く、反応ガスの流れを制御す
ることができる。

そして、所望の膜形成が終了すると、反応ガスの流出を
止められ、昇降機構に）で支持体■がウェハ■を支持し
た状態で降下し、ゲートバルブ（１８）が開かれ、伸縮
回転自在なハンドアーム（１９）により半導体ウェハ■
を反応チャンバのより搬出するとともにゲートバルブ（
１８）を閉じて処理が完了する。

上記実施例では、膜成長用ガスにＩＩＦ、を用いて。

ＷａをＨ２還元により被処理面上に堆積させる例につい
て説明したが、還元ガスにＳｉＨ４ガスを用いて。

下式に示すようなＳｉＨ，の還元によりＷ膜を被処理面
上に堆積させても良い。

２１Ｆ、　＋　３５ｉＨ，−＋　２Ｗ　＋　３ＳｉＦ４
＋６Ｌさらに、処理は化学的気相成長処理に限定するも
のではなく、被処理基板を急加熱した後に、被処理面の
赤外線の放射率の変化をともなう処理を実行するものな
ら何れでも良く、例えばエツチング処理などにも適宜応
用できることは言うまでもない。ざらに又、被処理基板
を急加熱するものはＩＲクランプ限定するものではなく
、例えばヒータにより加熱しても良く、温度検知機構も
熱電対やパイロメータに限定するものではない。

また上記実施例は、枚葉処理を行なう例であるが１本発
明は枚葉処理に限らず、多数の半導体ウェハを一度に処
理するバッチ処理にも同様に適用可能である。この場合
、すべてのウェハにつき温度の検出を行なうことは困難
なので、両側との真中の計３枚のウェハにつき温度の検
出を行なうことで十分である。

以上説明したように、本発明によると、急激な加熱を伴
なう昇温工程と、放射率の変化を伴なう一定の温度での
処理工程のいずれにおいても、被処理物の温度を正確に
検出することが可能であり。

それによって、正確に温度制御を行ないつつ処理が可能
である。

上記実施例において、被処理基板の加熱は、赤外線ラン
プの照射や、通常のヒータ等、加熱可能な加熱方法であ
れば何れでも良い。上記実施例において非接触温度検出
器としては、パイロメータ（１６）が接触温度検出器と
しては、熱電対（サーモカップル）がそれぞれ使用され
ているがこれに限定されるものではない。

上記実施例において、第４図に示すようにパイロメータ
（１６）を反応チャンバ■の側方に設けても良い。

本発明が適用される処理方法としては、蒸着（ｅｖａｐ
ｏｒａｔｉｏｎ）、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉ
ｎｇ）、加熱ＣＶＤ（ｔｈｅｒｍａｌ　ＣＶＤ）、つｘ
ットエッチング（ｗｅｔｅｔｃｈｉｎｇ）　、プラズマ
エツチング（ｐｌａｓｍａ　ｅｔｃｈｉｎｇ）、オゾン
アッシャ（ｏｚｏｎｅ　ａｓｈｉｎｇ）、プラズマアラ
シュア（ｐｌａｓｍａ　ａｓｈｉｎｇ）等、種々のもの
が挙げられる。特に、プラズマの発生を伴わない処理に
好適に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を化学的気相成長による薄膜形成工
程に適用した一実施例を説明するための概略構成説明図
、第２図は、第１図のウェハの温度制御を熱電対で測定
し、パイロメータが検知した温度との差を説明するため
の温度座標説明図。 第３図は第１図のウェハの温度制御を説明するためのブ
ロック説明図、第４図は第１図において、パイロメータ
を他の位置に配置した概略構成説明図である。 １・・・反応チャンバ　　　２・・・半導体ウェハ５・
・・支持体　　　　　　６・・・熱電対８・・・ＩＲク
ランプ　　　　１５・・・空間１６・・・パイロメータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　被処理基板を温度制御しながら急加熱し所望の温度帯
   で被処理基板被処理面の放射率の変化をともなう処理を
   する処理方法において、上記温度制御期間のうち予め定
   められた初期期間被処理基板の放射率により非接触型の
   温度検知機構で温度を検知し、その後接触型の温度検知
   機構で温度検知して温度制御を行なうことを特徴とする
   処理方法。